книги из ГПНТБ / Кулигин, О. С. Многокристальные интегральные схемы (опыт проектирования)

•Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР

•ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ .НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ

УДК. 621.382.8

О. С. KYJIIiniH7 Н. И. БОРОДИН

МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

(опыт проектирования)

Серия — Приборы и устройства радиоэлектронной техники и автоматики

Ленинград

1974

ВВЕДЕНИЕ

Многокристальные интегральные схемы (МИС) представляют

гоЗойнесколько кристаллов полупроводниковых интегральных

■схем (ИС), соединенных с помощью методов пленочной техноло­

гии и герметизированных в общем корпусе. Такой подход к компо­

новке кристаллов в систему открывает широкие возможности наи­ более полного п гибкого удовлетворения противоречивых требова­

ний, предъявляемых к аппаратуре. Но при этом резко возрастает ответственность разработчика за принятие решений относительно основных конструктивно-технологических параметров микросхем.

Это обстоятельство выражает общую тенденцию в области разра­

ботки радиоэлектронной аппаратуры (РЗА)^ связанную с поиском

новых прогрессивных методов, способных обеспечить высокое ка­

чество проектных решений. Основные вопросы относятся к выбору степени интеграции используемых кристаллов, количества кри­

сталлов, помещаемых в корпус, типа пленочной коммутации, типа

корпуса и т. д.

Удовлетворительное решение подобных вопросов основано па тщательном анализе большого числа различных факторов, касаю­

щихся схемотехники, конструкции, технологии, производства и экс­

плуатации аппаратуры, и требует привлечения современных мате­ матических и технических средств.

В брошюре, обобщающей опыт проектирования МИС, раскры­

ваются основные учитываемые факторы, показывается значение

МИС в деле комплексной микроминиатюризации РЭА, излагается

подход к организации процесса проектирования МИС на вычис­ лительной машине, основанный на использовании положений дина­ мического программирования.

ЗНАЧЕНИЕ И ДОСТОИНСТВА МИС

Характерной особенностью !микроэлектроники является исполь­

зование групповых методов обработки. При групповых методах в

одном технологическом цикле изготовляются сотни и тысячи эле­

ментов. При создании соединений между элементами образуются

3

интегральные схемы. В зависимости от технологических особенно­ стей интегральные схемы объединяются в два основных класса: по­ лупроводниковые интегральные схемы (ИС) и гибридные интег­

ральные схемы (ГИС). Многокристальные интегральные

схемы (МИС) рассматриваются как частный случай ГИС, пред­

назначенный для цифровой техники. Выбор той или иной тех­

нологии определяется требованиями, предъявляемыми к схемам и аппаратуре.

Технологические методы микроэлектроники особенно эффек­

тивны для изготовления цифровых схем, характеризующихся боль­

шой повторяемостью и однородностью. Повышение степени интег­

рации — важнейшее направление в развитии цифровых ИС, Ос­

новные преимущества схем с повышенной степенью интеграции

состоят в. низкой себестоимости (в пересчете на одну эквивалент­ ную схемную функцию), высокой надежности,'быстродействии и

небольших габаритах и весе, низкой потребляемой мощности. Повышение степени интеграции ИС способствует снижению се­

бестоимости изготовления аппаратуры, так как приводит к упроще­ нию несущих конструкций, уменьшению количества операции по сборке и присоединению выводов. Достоинства полупроводниковых ИС повышенной степени интеграции обусловили их быстрое вне­ дрение в производстве.

Гибридные интегральные схемы — выражение стремления рас­ пространить групповые методы производства на компоновку полу­ проводниковых ИС в систему. Это привело к тому, что несколько кристаллов полупроводниковых ИС стали размещать в одном

корпусе. Для коммутации кристаллов между собой используются методы пленочной технологии. Присоединение контактных площа­

док кристаллов ИС к схеме коммутации выполняются с помощью проволочных перемычек или другими, более прогрессивными мето­

дами шариковых или балочных выводов. В настоящее время боль­

шинство специалистов склоняется к. мнению, что каждая техноло­ гия. — и полупроводниковая, и гибридная, имеет свои преимуще­ ства и недостатки, и что обе эти технологии будут развиваться па­ раллельно, дополняя одна другую. Для гибридных схем нужны

активные элементы и целые ИС, а для полупроводниковых ИС —

гибридная техника для выполнения соединении. Очевидно, какие

бы выгоды'в отношении стоимости, надежности и характеристик не были получены при увеличении степени интеграции полупровод­ никовых ИС, всегда будет возможность получить дополнитель­

ную пользу от их коммутации на пленочной подложке.

При таком подходе в одном корпусе можно размещать бескор­

пусные кристаллы ИС, а также отдельные дискретные элементы:

транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы. Часть этих элемен­

тов, например, резисторы и конденсаторы, может формироваться

на подложке одновременно со схемой коммутации. Это обеспечи­ вает большую гибкость в процессе проектирования и изготовления интегральных схем и аппаратуры и предоставляет широкие возмож­

4

ности в области комплексной миниатюризации радиоэлектронной

аппаратуры (РЭА). Разработчики все чаще обращаются к гибрид­ ной технологии, когда дело касается производства цифровой ап­ паратуры.

Одно из наиболее важных достоинств гибридной технологии

состоит в том, что она позволяет удовлетворить большой диапазон требований при построении РЭА. Применение гибридных инте­

гральных схем экономически выгодно при изготовлении приборов мелких серий: широкая номенклатура и сравнительно короткий цикл разработки новых типов, гибкость метода конструирования

схем, высокий процент выхода годных изделий и др.

Увеличение степении интеграции ИС обусловливает быстрый

рост номенклатуры схем, что вызывает серьезные трудности в про­

цессе их проектирования и производства. Поэтому наиболее оче­

видной областью применения МИС является специальная аппара­ тура, выпускаемая малыми сериями. В этом случае разработчи­ ков аппаратуры привлекают возможность ремонта микросхем и

использования различных типов кристаллов, короткие циклы раз­

работки. Вместе с тем необходимо отметить, что полупроводни­

ковые ИС с повышенной степенью интеграции при достижении эко­

номически целесообразного процента выхода годных в условиях

крупносерийного производства имеют более низкую стоимость по сравнению с МИС, выполняющими-аналогичные функции.

Таким образом, основные достоинства МИС сводятся к следую­

щему:

— большой диапазон удовлетворяемых требований в отношении быстродействия, мощности рассеяния, стабильности, надежности,

стоимости, габаритов и др.;

— гибкость в использовании существующих и будущих дости­

к цифровым интегральным схемам, обладающими высокой степенью сложности, однородности и повторяемости. MHC воплощают в се­ бе новейшие достижения интегральной техники и, как следствие,

наиболее ярко отражают все трудности, связанные с проектирова­

нием. Вот почему именно МПС открывают широкие возможности

для исследовании в этой области. Полученные при этом результа­

ты в дальнейшем могут быть распространены на другие типы микроэлектронных устройств.

5

ОСНОВНЫЕ УЧИТЫВАЕМЫЕ ФАКТОРЫ

МИС представляют собой сложную комбинацию различных технологических методов и конструктивных элементов, что опреде­

ляет большие трудности при их проектировании. Рассмотрим бо­

лее подробно схемотехнические, конструктивные и технологические Факторы, которые следует учитывать в процессе проектирования

мис.

Функциональная сложность

Определение функциональной сложности микросхем — основ­

ной вопрос проектирования. Решение его. оказывает непосредствен­

По мере увеличения функциональной сложности микросхем чис­ ло внешних выводов в пересчете на один логический вентиль умень­

шается, за счет чего увеличивается надежность. C другой стороны,

возможности данной технологии непосредственно влияют на вели­ чину пассивной подложки и соответственно на размеры корпуса.

но из-за малого процента выхода годных. При определенной сте­

пени интеграции кристаллов функциональная сложность микро­

схем будет зависеть от количества кристаллов, устанавливаемых на подложке.

Степень интеграции кристаллов

Определению степени интеграции кристаллов свойственны все

ограничения, присущие нахождению функциональной сложности

конструктивных уровней. В каждом конкретном случае разбиение

схемы на кристаллы должно осуществляться с учетом схемотех­

нических требований, а также экономических характеристик полу­

проводниковой технологии на данном этапе. Оптимальный уровень

интеграции кристаллов увеличивается по мере роста процента вы­

хода годных. В МИС стоимость сборки на единичную функцию

уменьшается, так как несколько кристаллов устанавливается в од­

ном корпусе, при этом уменьшается число требуемых соединений.

Таким образом, в МИС стоимость кристаллов относительно более

важна, чем в полупроводниковых микросхемах.

Корпус

Конструкция корпуса зависит от многих ограничений по надеж­ ности, ремонтопригодности, размерам, весу, стоимости, наличному

технологическому оборудованию и др. и в то же время сам кор­ пус оказывает влияние на эти ограничения.

6

Ваппаратуре корпус выполняет следующие основные функции:

— защищает кристаллы и межсоединения от окружающей среды;

—обеспечивает совмещение с тепловыми и электрическими требованиями, предъявляемыми к системе;

—• создает условия для коммутации на следующем конструк­

тивном уровне.

Внастоящее время наибольшее распространение получили сте­

клянные. керамические, металлокерамические и пластмассовые

корпуса.

Корпуса различаются по размерам, форме, числу, типу и шагу

выводоц.

Стоимость компоновки кристаллов в корпусе обычно составля­ ет значительную часть стоимости микросхемы. Поэтому при оцен­

ке общей стоимости необходимо рассматривать стоимость произ­ водства корпуса, ручного труда при сборке, проверки микросхем и

сборки в.аппаратуре.

Уровень герметичности

Для герметизации микросхем после сборки обычно используют

сварку, пайку, запекание стеклом. На некоторых предприятиях гер­

метизацию выполняют с помощью стеклянно-жидкостных смол. Это дает возможность путем простого нагревания вскрывать дефектные приборы и производить замену или устранять повреждения. При оценке способа герметизации необходимо учитывать; качество гер­

метизации, процент выхода годных после герметизации, стоимость

оборудования, влияние герметизации на элементы микросхемы.

Способ герметизации и уровень герметичности оказывают непо­

средственное влияние на надежность.

Способ установки кристалла

Наиболее распространена установка полупроводниковых кри­

сталлов в MPIC с помощью эвтектики Si—Аи. Для установки .кри­ сталлов используют также теплопроводные эпоксидные смолы.. Теп­

после сварки, что способствует повышению надежности соединений.

Простота способа соединений с помощью таких выводов и сравни­

тельно несложное технологическое оборудование, используемое при

этом, обеспечивают их широкое распространение.

Известны также шариковые выводы (flip—chip), которые позво­

ляют интегрировать операции по присоединению выводов кристал­

ла к схеме коммутации и автоматизировать процесс сборки МПС. В кристаллах с балочными выводами (beam—lead) отсутствуют

7

ведливо в условиях современного состояния электроники. Однако, кроме очевидного упрощения при анализе, такое разбиение по­ зволяет вскрыть общность процессов, составляющих содержание

отдельных этапов, и преемственность методов их реализации. В

этом случае можно исследовать один из этапов, зафиксировав ос­

тальные в некотором конкретном состоянии с помощью системы ограничений и допущений. Используя такую возможность, даль­

нейшее изложение можно ограничить рассмотрением этапа кон­

структорской разработки. Основные процессы этого этапа — про­

ектирование и конструирование.

Отметим различие между процессами проектирования и кон­

струирования при рассмотрении их с точки зрения автоматизации

и использования вычислительных машин. Проектирование заклю­

чается в разработке формализованных параметров конструкции.

Под конструированием понимается творческий процесс неформаль­

ного представления конструкции в системе принятых условных

обозначений. Следовательно, сущность конструирования состоит в оформлении и фиксации неформализованного творческого процесса.

Характерным для процесса проектирования является использо­ вание большого количества априорной информации, заимствован­ ной из процессов конструирования, выполненных ранее. Так, можно

феноменологически определить различные типы корпусов и поста­ вить им в соответствие некоторую формальную систему, например,

корпуса. В процессе проектирования можно оперировать только одними этими числами, хотя определенный тип корпуса есть резуль­ тат процесса конструирования. Дальнейшее изложение посвящено

анализу процесса проектирования МИС и возможностей его форма­ лизации с целью использования вычислительных машин на этапе конструкторской разработки.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

В процессе проектирования электронной аппаратуры и ее эле­

ментов необходимо учитывать множество различных факторов,

большой диапазон их изменения, влияние этих факторов на резуль­

тат процесса проектирования.

Высокая сложность цифровой аппаратуры, насчитывающей де­ сятки и сотни тысяч элементов, приводит к тому, что незначитель­

не. В таких условиях проектирование традиционными методами,

основанными на Интуиции и опыте разработчика, нельзя считать рациональным. Можно предположить, что процесс проектирования

мало чувствителен к изменению параметров в большом диапазоне

их значений. Тогда надо оценить эту зону малой чувствительности, чтобы сделать выводы при решении задач унификации. Таким об­

разом, МИС выдвигают необходимость разработки точных методов

9